（环境工程专业论文）铁路施工期水力侵蚀规律与预测方法研究.pdf

! ! 查奎望查兰堡! 堡兰塑墨一 摘要 土壤侵蚀问题是目前人类面临的主要的生态环境f 1 题之一。它关系着山区、丘陵区及 风沙区水土资源的合理开发、利用和保护，关系着江河、湖泊的利用和整治，与一个区域 的生态环境、经济持续发展和社会稳定息息相关，成为影响一个地区发展的至关重要的因 素。 】：程施工导致的水土流失是一种重要的水土流失形式，严重影响周边的生态环境，关 系剑| 二程的可行性、造价及使用寿命。研究工程项目施_ 引起的水土流失的特点及其发生 的规律，并加以防治，己成为一件刻不容缓的事。1 本文在对施工引起的水土流失进行分析的基础上，认为铁路施工过程中对原地形地貌 造成的扰动主要表现在夯实、揭露地表以及堆置：产生水土流失的典型地貌有施：c 路堑、 弃七场( 路堤边坡) 、施工便道和施工营地。 根据研究和调查结果，针对铁路施工引起的水土流失，选择典型地形地貌区( 秦沈线 和内昆线) 进行野外人工模拟降雨试验，以定量研究铁路水土流失的规律，涉及雨强、坡 度、土质性状等因素：通过实地调查和试验结果的分析，认为坡度、土壤被扰动的性质、 扰动的深度是施工过程中引发水土流失，影响水土流失量的关键因素。j 论文的壤后，在已有的水土流失量估算模型分析的基础上，提出适合工程建设项目水 土流失特点的、具有较高精度的水土流失预测模型。对一种土壤类型，以扰动系数作为指 标，衡量施工扰动的性质和程度对土壤侵蚀量的影响。f 但实际上，由于数据所限，预测模 型只是给工程建设项目的水土流失量计算提供了一个思路，模型的完善还需要进一步的研 究工作。、上 本文对同一种类型的土壤，因施工扰动而导致的入渗能力的差异、产流和产沙规律进 行了试验研究，拓宽了土壤侵蚀的研究范围，从而完善了土壤侵蚀的部分理论。 关键词：施工扰动重塑地貌，水土流失试验j 水力侵蚀预测、 i ! 立奎望盔兰堡主堡兰 塑茎 a b s t r a c t s o i le r o s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e m st h a tm a n k i n d h a v et oc o n f r o n t i ti sr e l a t e dw i t ht h er a t i o n a le x p l o r a t i o n ，u s a g ea n dp r o t e c t i o no f w a t e ra n ds o i l r e s o u r c e si nm o u n t a i n o u sa r e a s ，h i g hl a n d sa n dt h ea r e a sf u l lo f s a n db l o w nb yw i n d ；r e l a t e dw i t h t h eu t i l i t ya n dp u n i s h m e n to fr i v e ra n dl a k e s oi t i sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h e d e v e l o p m e n to f a n a r e a w a t e ra n ds o i le r o s i o nr e s u l t e db yc o n s t r u c t i n ga l lk i n d so fp r o j e c t si sa n o t h e ri m p o a a n t f o r mo f w a t e ra n ds o i le r o s i o n ，w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h ep e r i p h e r a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n d i sr e l a t e dw i t ht h ef e a s i b i l i t y , c o s ta n dl o n g e v i t yo fp r o j e c t i ti sn ot i m et od e l a yt os t u d yt h e p e c u l i a r i t ya n dt h er u l eo fw a t e ra n ds o i le r o s i o nr e s u l t e db yc o n s t r u c t i n gp r o j e c t s ，a n dp r e v e n t a n dc u r ei t o nt h eb a s i so f a n a l y s i sa b o u tt h ew a t e ra n ds o i le r o s i o nr e s u l t e db yc o n s t r u c t i n g t h ea r t i c l e c o n s i d e r st h a tt h em a i nc h a n g e so ft h eg e n e r a lc o n f i g u r a t i o no ft h ee a r t h ss u r f a c er e s u l t e db y c o n s t r u c t i o ni st a m p i n g ，u n c o v e r i n gt h ee a r t h ss u r f u c e ，r e c r e a t i n gt h eb a s i so fr a i l w a ya n dt h e d i s c h a r g eo f s u p e r a b u n d a n c es o i l ；t h et y p i c a le a c h ss u r f a c e st h a tc r e a t ew a t e ra n ds o i le r o s i o na r e t h ec h a s mo fr o a d ，t h ef i e l do f d i s c h a r g e ds o i l ( t h es l o p eo fr o a dm o u n d ) ，t h ep a v e m e n ta n d c a m p i n gg r o u n dc r e a t e db yc o n s t r u c t i n g a c c o r d i n gt ot h ec o n s e q u e n c eo fs t u d y , t h ef i e l de x p e r i m e n ti nt y p i c a le a r t h ss u r f a c eo f q i n s h e nr a i l w a ya n dn e i k u nr a i l w a ya r ed e s i g n e dt os t u d yt h er o l eo fw a t e ra n ds o i le r o s i o n e s p e c i a l l yh y d m u l i ce r o s i o nb yc o n s t r u c t i n gr a i l w a y , w h i c hi n c l u d e st h ei n t e n s i o no fr a i n ，t h e g r a d i e n to fs l o p e , t h ep r o p e r t i e so f s o i le r e o nt h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n ta n df i e l di n v e s t i g a t i o n ， t h ek e yf a c t o rc r e a t i n gw a t e ra n ds o i le r o s i o na n da f f e c t i n gi t sq u a n t i t yi st h eg r a d i e n to f s l o p e ， t h ec h a r a c t e r o f s o i lb e i n g d i s t u r b e d ，t h e s o i l d e p t hb e i n g c h a n g e d ， l nt h el a s t , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ef o r e c a s tm o d e l so fw a t e ra n ds o i le r o s i o nt h a t a l r e a d ye x i s t ，am o r ep r e c i s ef o r e c a s tm o d e lt h a tf i t st h ew a t e ra n ds o i le r o s i o no fe n g i n e e r i n gi s g i v e n f o eo n ek i n do fs o i l ，ac o e f f i c i e n to fd i s t u r ba r ep r o v i d e dt oj u d g et h eq u a n t i t i e so fw a t e r a n ds o i le r o s i o nt h a tt h ep r o p e r t i e sa n di n t e n s i o no fd i s t u r b i n gw i l li n f l u e n c e b u ti nf a c t ，t h e m o d e lo n l yp r o v i d e daw a yt oe s t i m a t et h ew a t e ra n ds o i le r o s i o nh a p p e n e di nc o n s t r u c t i n ga r e a , ! ! 变銮望盔兰堕主堡墨 塑星 f o rt h e r ei sn oe n o u g hd a t a t h ed i f f e r e n c eo fs e e p c a p a c i t y , t h er u l eo fc u r r e n ta n ds a n dt h a ta r ec r e a t e do ne v e r yk i n d t y p i c a le a r t h ss u r f a c ep r o d u c e db yc o n s t r u c t i n gp r o j e c ta l es t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n tt h es t u d y w i l lb r o a dt h er a n g eo fw a m ra n ds o i le r o s i o na n da d v a n c et h et h e o r ys t u d yo fw a t e ra n ds o i l e r o s i o n k e yw o r d ： c o n s t r u c t i o nd i s t u r bt h ee a r t h ss u r f a c e r e s h a p e d w a t e ra n ds o i le r o s i o n e x p e r i m e n t t h ef o r e c a s to f h y d r a u l i ce r o s i o n j l 查銮耍盔鲎堕：生丝塞 一蔓薹一 y 4 7 7 0 0 2 前言 本论文是国家自然科学基金项目( 编号：5 0 1 7 8 0 0 2 ) “铁路工程水土流失规律研究”和铁道 部项目( 编号：t j 2 0 0 0 d 0 0 2 0 ) “铁路工程水土流失评价方法研究”工作的组成部分。 本文是在导师许兆义教授的悉心指导和大力支持下完成的。从论文选题、资料收集和现场 试验以及后来的论文写作，导师部分别给予了认真地指导。他那敏锐的洞察力、渊博的知识、 兢兢业业的科研态度和身体力行的工作作风，使我在完成论文的过程中收益匪浅，对我以后的 学习和工作都无疑也大有帮助。另外生活中许老师给了我无微不至的关陌。可以说没有许剖币 的指导，科研课月剥哿很难按照要求如册完成。在此对导师在研究生学习期间给予自己在各方面 的支挎关心表示泰山的感谢和深深的敬意。 本论文的完成也离不开研究室诸多别币的指导和帮助。在调研过程中得到了杨成永副教授 的大力支持，并具体指导了野外试验；王连俊教授给论文的写作提出了宝贵的建议，并在课题 的进行中给予了大力支持和帮助；王勐老师、白明洲博士后对我关怀备至，在此一并向他们表 示真挚的谢意。 在资料收集和现场调查过程中得到了中科院地理所有关老师的大力支持，特别对吴淑安副 研究员、陈浩副研究员在野外试验时给予的热院帮助，表示诚挚地感谢。 在论文完成过程中，我的学长博士生奚成刚、任福民，硕士生董瑞琨给予了很多帮助，还 与我的硕士同学刘晓敏、王美芝等进行了大量的交流和探讨，在此一并表示深深的谢意! 还要感谢本文引用文献的所有作者。没有他们的研究工作作为基础，本文不可能达到现在 的目标。 最后，感谢我的家人、朋友多年来对我的学习一如既往的关心、支持和理解。f 电f 门的无私 奉献，使得我顺利完成研究生阶段的学习! 北方交通大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文的研究背景 壤侵蚀问题是目前人类面临的主要的生态环境问题之一。它关系着山区、丘陵 区及风沙区水土资源的合理开发、利用和保护，关系着江河、湖泊的利用和整治t 与 一个区域的生态环境、经济持续发展和社会稳定息息相关，成为影响一个地区发展的 至关重要的因素。 我国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一。据统计“) ，我国现在水土流失面积 达4 9 2 6 万k m 2 ，占国土面积的5 1 。不仅分布范围广泛，而且土壤侵蚀的成因复杂。 主要侵蚀类型有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀乖】冰川侵蚀等。其中水力 侵蚀的面积最大，危害也最为严重，成为制约这些地区资源开发和社会经济持续稳定 发展的一个重要因素。 土壤侵蚀的发生除自然因素外，主要是人类不合理的活动引起的，例如毁林开荒、 陡坡耕种、过度放牧等。经过几十年的不断努力，土壤侵蚀的综合治理取得了显著的 成效。但随着工程规模的扩大，类型增多，加之施工过程中的防护不善，新的水土流 失形式不断产生，土壤侵蚀的面积不断扩大，侵蚀程度日益加剧。防治土壤侵蚀的任 务又进入了一个新的阶段。 1 程施工导致韵水土流失是一种重要的水土流失形式，严重影响周边的生态环境， 关系剑工程的可行性、造价及使用寿命。研究工程项目施工引起的水流失的特点及 其发生的规律，并加以防治，已成为一件刻不容缓的事。 1 2 工程建设的水土流失概况 随着我国经济的发展，城市化过程中开发建设项目和城市基础设施建设的日益加 快，铁路、公路的修建，管线的铺设以及各种矿产资源的开采等各项活动迅速开展，对 矿物和石料、土壤和土地等自然资源的需求急剧增加。在这些项目的施工过程中，对 资源的自然过程和自然形态产生了剧烈扰动和破坏，造成严重的土壤侵蚀。有的随意 地堆弃、倾倒废弃物为土壤流失的发生准备了物质基础和环境条件；良好的地表植被 覆盖或被破坏，一些弃土、弃渣堆弃或倾倒在河道、山坡或农田之中。水土流失产生 的大量泥沙，不仅造成附近河床和库塘的加速淤积，加剧了洪水、崩塌、滑坡和泥石 流笛灾害的发生概率，不仅严重破坏了生产生活环境，同时也严重影响了工程的簏工 北方交通大学硕士论文 1 绪论 工期，降低了工程质量，并造成了惨重的经济损失。 如太原市，1 9 9 6 年8 月4 日，西部山区因连日降雨暴发了山洪，虎峪河奔腾咆哮 的洪水，席卷了沿途桥梁，冲毁了河道堤岸，使繁华的迎泽西大街变成了狂泻洪水的 河槽，造成的直接经济损失达2 8 6 亿元。据分析，这次洪灾主要是城市及其周边地区 大面积开发建设和随意倾倒尾矿、垃圾造成的。 准葛尔境内，由于开采煤炭资源和进行基础设施建设，人为水土流失日益加剧。 如黑岱沟露天矿选煤厂，修建的拦渣坝已被煤矸石埋没，矸石溢满流入沟道。集体、 个体小煤窑布局不合理，生产过程中产生的弃渣大部分直接倒入沟道之中，造成严重 的水土流失，每年的流失量达8 5 万m 。t 2 ) 工程施工导致的水土流失除了给周边生态环境带来定影响之外，给工程本身带 来的损失已经成为我们关注的焦点。如在修建秦沈客运专线豹过程中，2 0 0 0 年8 月9 日、l o 日降了场特大暴雨，整个路堤坡面土壤流失的平均厚度为0 7 m ，大量的泥 沙下移，道路被阻塞，并有大量的泥沙冲淤农田；开挖的路堑揭露了原有的导水系统， 大量土体沿着脆弱面下滑，已做好的护坡也遭到严重破坏，具体可见图1 1 图1 - 4 。 图1 1 秦沈线的路堑被冲情况 特别需要指出的是，随着各项建设活动的开展，城市水土流失的影响范围日益扩 大，成为水土流失的又一重要类型。李智广( 3 ) 等通过对广东省1 9 8 6 。1 9 9 2 年人为水土 流失资料进行分析，通过名次总和指数排名，认为人为水土流失各因素危害的大小顺 序为：基建工程 采矿 陡坡开荒 砖瓦窑 毁林毁草。即大规模的基建工程是人为水土 流失的主要因素，其流失面积、流失量、危害和经济损失等均高居6 种因素的首位。 另外，在基建工程项目中，以道路为主，其次是工业开发区、住宅建设及与之相应的 取石场。基建工程不仅导致大量的水土流失，堵塞河道、毁坏水利水保工程、埋没农 田，而且污染水源、恶化动物和人类的生存环境，并对建设项目的寿命和经济可持续 发展构成严重威胁。 2 i ! 互至堕查堂堡兰= 鲨苎! 笙堡 另外据统计”，深圳市水土流失总面积为1 8 4 9 9k 1 t i2 ，其中人为开发造成的水土 流失面积占总流失面积的9 3 4 3 。 图1 2 秦沈线已砌好的护坡被冲坏 图1 - 3 秦沈线路堤边坡的冲沟 这些都说明，人为造成的土壤的加速侵蚀，已不仅仅是农民陡坡开荒的问题了 主要是开矿、筑路、开发区建设和其他基本建设所造成的土壤侵蚀十分严重。 1 3 工程引起的水力侵蚀的危害 工程建设在很大程度上刺激了当地经济的发展，但工程施工中的水土流失问题， 又给当地的经济发展带来定的负面影响。一般说来工程项目施工导致的水土流失对 环境的危害既有和一般意义上的水土流失危害相同的地方，又有其特点，体现在以下 些查奎望盔兰堕主笙兰j 坠! 一 几个方面。 1 3 1 大量弃渣淤塞河道，影响行洪安全 ：r ：程项目建设过程中，开挖边坡，采石放炮等，破坏了坡面的稳定性，形成了很 多破碎面，使坡面侵蚀基准面遭到了破坏，坡面系统的各要素发生变化，潜在的土壤 侵蚀加剧：加上施i ? 过程中，土石方的开挖、搬运以及填筑，使土壤结构遭到破坏， 土壤抗侵蚀的能力人大降低。这些都为水土流失的发生创造了条件。当工程弃渣堆放 靠近河流或者处于斜坡上时，受到坡面来水和河道水流冲刷，大量泥沙进入河流，引 起淤塞，严重影响行洪安全甚至会引发水患。 据调查，黄河中游由于煤炭开发排弃的大量土石，含沙量巨增，并导致下游淤积 严重。据神府东胜总体设计报告，该矿区1 9 8 7 1 9 9 7 年排弃的土石量1 8 7 0 0 7 万t ， 1 9 9 8 2 0 0 0 年竟为1 6 2 6 5 万t 。由于防护不得当，水土流失问题更为突出，大量推移质 泥沙补给源，给黄河汛期行洪带来了很大压力。 宝成线八庙沟施工过程中，1 9 9 4 年5 月1 日和6 月2 8 日两次暴雨，冲走弃渣 1 5 0 0 0 m 3 及部分机具沙石料。一条长5 4 m ，高5 5 m ，厚4 2 m 的挡墙被冲毁，在八庙 沟口形成伞形堆积，挤压河道，影响嘉陵江泄洪能力。 1 3 2 淤塞水库湖泊，影响开发利用 工程施工过程中的水土流失，具有流失量大、集中突发性强、危害大等特点。一 旦发生，将会淤塞湖泊，减少库容，严重影响周围湖泊、水库的使用。比较典型的是 京九线施： 过程中由于对施工产生的大量弃渣防护不善，遇到暴雨，几十万方的弃 土滑进旁边的水库，导致整个水库完全报废。 1 3 3 破坏土地吞食农田 坡面的土壤侵蚀造成下游农田被淤埋。我国为此已损失大量的良田。工程建设的 大规模兴起，特别是雨季施工，加快了农田被吞食的速度。 秦沈线施工过程中，2 0 0 0 年8 月8 日到1 0 日的暴雨。绥中北站站场及区间路基 被冲下的土石方，共计9 7 7 6 1 3 2 方，全部被冲到了边沟和农田之中，事后不得不进行 抽水后清理。 1 3 4 降低工程质量，贻误工期 r 程施工导致的水土流失除了恶化周围的生态环境，还将降低工程质量，贻误施 1 二 期，加大工程消耗。其主要表现是，路堤施工时，路堑边坡遗留土石方和路堤超 填土石方，不及时处理，在多雨地区，极易被水冲成沟槽，导致路堤边坡开裂、下沉、 坍滑等，使大量边坡填流失，即污染环境，又增大清理工作量。而且对冲沟进行夯 实，其密实度很难达到原机械碾压的密实度，形成了路堤的薄弱环节。 4 北方交通大学硕士论文 1 绪论 在多雨地区，破碎石质路堑边坡稳定性较差，易坍塌；粉沙、细砂、粘砂土等土 质边坡极易被水冲成沟槽，甚至坍塌，淤塞河道和涵洞。这些都将对工程产生一定的 不利影响。 2 0 0 0 年8 月8 目到1 0 目的暴雨，使绥中境内的秦沈线施工蒙受了巨大的损失。 绥中北站站场及区间路基土方两侧边坡及台阶出现了大面积的沟壑，最大深度为 20 m ，由于降雨量较大，使边坡平均下降了o 7 m ，土方全部冲到了边沟和农田之中； 路基级配碎石的细骨料被雨水冲刷的较为严重，由设计的4 8 降为3 0 左右；己施工 成路拱的基床表层，被冲击成多条沟壑，最深有o4 m ，基床表层平均下降015 m ，泥 土被冲刷下边坡，造成路基表层标高下降，土质松软，需清除表层土0 4 m ，并进行填 十压实处理。 这次暴雨导致停、返工5 6 0 0 工日，损失总计达3 0 0 多万元。 在京九线赣南段的施工过程中，发生了意想不到的路基坍滑现象，严重影响了施 工进度和施工质量，例如：d k 2 5 0 + 0 0 0 d k 2 8 4 + 4 7 0 段干砌片石的防护： 程完成后， 由于天降暴雨，这段砌石防护工程发生大面积的滑塌：d k 3 3 2 + 0 0 0 d k 3 3 2 + 8 6 0 段路 堑施工中连续出现边坡滑塌，使施工期拖长近2 年。 类似的事故，在各地的工程项目施：i 二利矿产开采过程中，经常出现，给j 【程带来 一定损火，恶化了当地的生态环境。 1 4 工程建设土壤侵蚀的研究历史与现状 1 4 1 国外土壤侵蚀的研究历史 土壤侵蚀问题在国际上很早就引起了人们的重视。1 8 世纪中叶，前苏联的m 罗蒙 洛索夫首次提到暴雨引起的溅蚀及对农业生产的影响；1 8 1 3 年，美国的t h o m a s j e f f e r s o n 提到了水平耕作对土壤侵蚀的影响。而日本早在1 7 世纪后期，就有人提出了 荒山恢复，把造林与工程相结合的措施，并被采纳。1 8 8 4 年，奥地利制定了世界上第 一部有关防止土壤侵蚀的荒溪治理法。 随着土壤侵蚀的1 3 益严重，以及土壤侵蚀学科的发展，越来越多的人对土壤侵蚀 进行研究。1 9 3 0 1 9 4 2 年是美国侵蚀研究的黄金时期。在h h b e n n e t t ( 4 的带领下，在 有代表性的1 0 侵蚀区建立了土壤侵蚀试验站，为美国土壤侵蚀的研究提供了宝贵数 据。通用土壤流失方程里的作物管理因子就是完全建立在这些试验数据基础上的； d u l e y 和h a y s ( 1 9 3 2 ) ( 5 6 ) 借助模拟降雨试验对土壤侵蚀中的坡度和坡长因子进行了研 苑。s m i t h ( 1 9 4 1 ) “首次定量研究了土壤允许侵蚀量。 在土壤侵蚀机制研究方面，w d e l l i s o n 佴“o 作出了突出的贡献。他认为土壤侵蚀 造在侵蚀力作用下，土壤物质被分离和搬运的过程，这为土壤侵蚀过程的理解和模拟 ! ! 童奎望奎兰璺主垦茎 奠定了基础：同时他还分别对侵蚀过程中雨滴影响和径流影响进行了研究。 的基础上，m e y e r 和w i s c h m e i e r ( 1 9 6 9 ) 提出了土壤侵蚀机制的模型。 1 绪论 在他工作 士壤侵蚀预测模型最早由z i n g g ( 1 9 4 0 ) 【”提出，认为土壤侵蚀量是坡度和坡面 的水平长度的函数；s m i t h ( 1 9 4 1 ) 7 在z i n g g 方程的基础上，提出一个更加完善的模 碟。在他的模型中考虑了工程措施的影响，但由于该模型是在一种土壤、一种气候条 f ，f = f 得出的，模型的实用性受到限制；b r o w n i n g 和他的助手( 1 9 4 7 ) ”“，在前人研究 的基础上，提出了美国红壤的土壤侵蚀方程，该方程考虑了土壤的可蚀性因子以及红 壤的允许土壤流失簧：m u s g r a v e ( 1 9 4 7 ) ( 1 4 综合了前人研究的成果，在他的侵蚀预测 模型中，考虑了降雨的影响，并尝试计算了土壤可蚀性，该方程在美国通用士壤流失 疗程出现以前得到了广泛的应用# 而美国的通用土壤流失方程是迄今为止运用最为广 泛的土壤侵蚀预测模型。该模型只所以被广泛应用，在于因子选取的合理性，该模型 以虽大3 0 r a i n 降雨强度和降雨能量来表征降雨因子，并将作物和管理因子缩短为作物 的一个生长周期。该模型发布以后经过几次进步的改进，在修正的通用土壤流失方 程中，作物和管理因子缩短为1 5 天，借助于计算机，较好地考虑了各因子之间的相互 作用；计算机的普及使得处理大量数据成为可能，美国农业部1 9 9 1 发布了w e p p ( w a t e r e r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) ，该模型是一个过程模型，应用了b e n n e t t 和e l l i s o n 的研究 成果，可分别计算坡面单元的径流、土壤颗粒被剥离、运移以及沉积的过程。 研究土壤侵蚀机制及进行土壤侵蚀预测，目的是为了充分地和有效地控制土壤侵 蚀。过去的1 0 0 年里，土壤侵蚀控制方面的成果数量不多，但得到了非常广泛地应用。 这些方法的目的在于减少径流冲刷，提商土壤抗蚀性，主要有耕作保护和化学控制等 方法，经济有效，在美国各地得到了广泛的应用，这里不再详述。 国外很早就注意到矿产开采，工程施工引起的水土流失问题。w o l m a n ( ”等对工程 沲 年【】采矿的松散堆积物进行了研究。针对这问题，关键在于如何控制，在走过一 条漫k 的道路之后，目前很多科学家坚信大自然有自我愈合的能力，认为最好的控制 疗法，就是“弃置不管”。 1 4 2 我国土壤侵蚀的研究历史 土壤侵蚀与生产实践关系密切，并随着经济和社会的发展而诞生和发展。对工程 项目引起的水土流失的研究是土壤侵蚀研究的个方向。土壤侵蚀按照其研究的侧重 点和研究方法的不同，可以分为如下四个阶段。 清朝以前是土壤侵蚀研究的萌芽阶段。这个阶段人们描述了坡耕地的侵蚀和河流 淤积的现象，就治田和治河问题采取了定的措施，但尚未上升到理论的高度。最早 在公元前1 0 世纪的西周时期，就有“平治水土”之说，诗经中记载了朴素的土壤 殷蚀防治原理及合理土地利用的重要性。秦汉以后，土壤侵蚀日趋严重，张戎提出河 流的泥沙淤积是黄河决口的主要原因。宋、元、明时期，坡耕地上的土壤侵蚀已十分 严重，开始修筑梯田，水利专家徐贞明提出了泥沙侵蚀、搬运和沉积的关系。清人胡 6 韭查壅望查堂堡主望苎 一! j 塑三一一 定分析了黄河泥沙来源的问题，并阐述了泥沙产生与运移的规律。还有人分析了影响 土壤侵蚀的因素，尤其对植被保持水土的作用有了一定程度的认识。 从清朝末期到解放以前是土壤侵蚀研究的定量化阶段。从2 0 世纪2 0 年代起，不 少学者开始对侵蚀和产沙进行定量研究，并力图对侵蚀进行预测。其间主要有金陵大 学森林系的部分教师在晋鲁豫进行水土流失调查及径流观测；并先后在四川内江、甘 肃天水、陕西长安、福建河田等地建立了土壤侵蚀研究试验区，积累了一些研究资料 和研究经验：旧黄河水利委员会的一些科技人员针对治黄工作，成立了林垦组，提出 了防治泥沙的问题，开展水土保持工作。 从5 0 年代到9 0 年代初，是我国水土保持工作蓬勃发展的阶段。这时期的水土保 持1 ：作受到党和国家的高度重视，先后采取了一系列重大决策，颁布了一系列规定， 以保证水土保持工作的顺利进行。 1 9 5 5 1 9 5 8 年进行的黄河中游水土保持考察，首次确定了以小流域为单元的治理 模式，对黄土高原的土壤侵蚀类型、分类原则和士壤侵蚀分区等，进行了大量开创性 的r 作，为我国土壤侵蚀学科奠定了重要基础； 1 9 5 9 1 9 6 1 年，国家组织了对长江流域的综合考察，为跃江流域水土保持规划和 经济建殴提供了必要的科学依据； 1 9 8 6 年针对黄土高原的综合治理工作，在黄土高原进行了大规模的治理开发综台 考察，在查明水土资源面积和水土流失现状方面取得了新的进展。 另外，特别需要指出的是，1 9 8 2 年6 月3 0 日国务院批准了水土保持工作条例， 1 9 9 1 年6 月2 9 日第七届全国人大常委会通过了中华人民共和国水土保持法，至此 我国水土保持工作逐步走上了法制化、规范化和科学化的道路。 在此期间，水土流失的机理研究取得了极为丰富的成果。降雨因子，尤其是暴雨 特征和年暴雨次数是影响侵蚀的主要动力之。王万忠( ”研究指出，黄土高原引起侵 蚀的降雨次数平均每年为6 次，周佩华提出了黄土高原的侵蚀性降雨标准；周佩华”) 、 江忠善“”分别研究了人工模拟降雨、天然降雨条件下降雨强度和降雨动能的关系，提 出了适合黄土高原地区的雨滴动能计算公式；蔡强国( 1 9 2 1 ) 等探讨了表土结皮对侵蚀产 沙的影响：另外，蔡强国、张科利、郑粉莉( 2 2 - 2 7 ) 研究了坡面的细沟侵蚀、浅沟侵蚀的 发生发展过程。 关于地形因子对坡面侵蚀的影响。陈永宗。”、曹银真2 9 等研究认为，存在影响坡 面侵蚀的临界坡长和临界坡度；史德明和杨艳生( 5 5 在南方花岗岩地区进行了降雨径流 因子、土壤入渗性和侵蚀机智的研究，并运用数值分析方法，对评价土壤流失、土壤 潜在危险及建立预报方程进行了尝试。 朱显谟口”早在1 9 5 9 年首次将土壤抗蚀性分为抗冲性和抗蚀性，并根据黄土的物理 特性和抗冲性提出“全部降水就地入渗”的水土保持战略方针；8 0 年代李勇讨论了植 被根系对土壤抗冲性的作用。 在研究土壤侵蚀机制的同时，不少学者试图建立土壤侵蚀预报方程。较早建立的 7 苎查奎望奎兰堡主笙兰l 堕兰一 侵蚀和产沙模型大多是因子模型。1 9 5 3 年刘善建首次提出了计算年度坡面侵蚀量的公 式：6 0 年代张存福建立了黄河中游地区坡耕地水土流失预报方程；孟庆枚等根据黄土 斤_ 陵沟壑区各水土保持试验站的径流小区资料，建立了一个适用于当地的预报次降雨 的七壤流失方程；江忠善等通过研究得出了一次降雨侵蚀模数与最大3 0 m i n 的雨强 及降雨量的关系、坡度与侵蚀量的关系以及坡长与侵蚀量的关系：此外还有周国忠、 杨艳生等建立的坡面侵蚀预报方程。 同时在引入美国通用流失方程的基础上，各地结合当地的自然条件，修正了降雨 侵蚀力指标、地形因子等，建立了一系列的预报方程，主要有：黑龙江省的土壤预报 方程、辽宁省士壤预报方程3 ”、长江三峡区紫色坡耕地土壤流失方程”、滇东北山 区坡耕地土壤流失方程”) 、福建省土壤预报方程“等，在各地的水土保持规划实践中 发挥了作用。 8 0 年代以来，我国相继建立了一些侵蚀和产沙的物理过程模型。汤立群和陈国祥 从流域水沙产生、运动和沉积过程及其机理出发，建立了流域产沙随时间、空间分布 的确定性模型；蔡强国建立的模型对流域的单元划分则前进了一步，模型针对黄土丘 陵沟壑区小流域的复杂地形和浸蚀产沙的垂直分带规律，分别建立了3 个子模型：坡 面子模型、沟坡子模型、沟道子模型：谢树楠等建立了黄河中游黄土沟壑区的暴雨产 沙过程模型；此外还有汤立群建立的径流泥沙模型。 5 0 年代探讨的小流域综合治理模式在长期的实践中得到不断地完善和提高，成为 中国水土保持的基本方式之一。在土壤侵蚀研究不断走向深化的同时，土壤侵蚀的研 究方法也在不断发展，8 0 年代以米，元素示踪法与遥感技术的使用为侵蚀产沙泥沙 搬运沉积过程和坡面泥沙来源的研究提供了一种快速准确的研究方法。但由于研究范 围的限制和经济发展的水平，由工程旌工引起的水土流失研究尚未涉及。 9 0 年代以来，随着计算机遥感技术和系统科学的发展，我国对土壤侵蚀的研究进 入了一个全面发展的新阶段。计算机的出现，使得即时处理大量数据成为可能，建立 了一系列在地理信息系统支持下的坡面侵蚀预报模型、沟坡侵蚀预报模型和梁坡+ 沟 坡的侵蚀预报模型。卢金发等利用l ：5 0 万t m 卫星图象，对黄土高原的水土流失进 行了评价：李清河”进行了黄土区小流域土壤侵蚀系统模拟的研究。 随着经济的不断发展，由工程施工引发的水土流失成为人们关注的焦点。基于工 程施工的需要，郑启浦( 3 8 ) 等分析了新建铁路对周围生态环境的影响，吴波”1 对多雨地 区铁路施工时的水土流失问题进行了探讨，王峰“o ) 讨论了京九线施工过程中产生水土 流失的原因。 针对工程建设过程中，影响区域内的水土流失强度远远高于农村山区的水力强度 分级指标，吴长文( 4 ”对深圳市开发建设平土区的水土流失等级进行了划分，认为侵蚀 严重的开发区的侵蚀量主要是松散堆积坡侵蚀及其影响区域的沟蚀，严重级的侵蚀模 数约达1 0 万t l ( k m 2 a ) ，局部影响区的侵蚀模数达1 0 2 万t ( k m 2 a ) ； 1 9 9 8 年水利部颁布开发建设项目水土保持方案技术规范( s l2 0 4 9 8 ) 以后，编 8 北方变通人学硕士论文 t 绪论 制【程建设项目的环境影响报告和水土保持方案成为必须，人们需要对工程建设引发 的水士流失问题进行更深一步的研究。张丽萍( 4 ”对工程建设，开采石料造成坡面潜在 侵蚀量的增加进行了研究，建立了坡度增加数学模型，计算了临空面加大增加的侵蚀 馘，认为坡地临空面增加时，坡地侵蚀苗会成倍增加；孙虎”等认为黄土高原地区人 为齐土堆积主要有随意倾倒式和场地式两种类型，将人为弃土堆积微地貌归纳为新生 斜坡型、陡坡增长型、新生台地型和洼地叠加型4 种类型，通过对人为弃土堆积斜坡 和人为弃土堆进行降雨侵蚀实验，发现人为弃土斜坡可发生剧烈的土壤侵蚀，侵蚀量 是裸露荒坡的l o7 6 1 2 3 3 倍，其中细沟侵蚀占较大比重：刘小勇”对硬地面的侵蚀 产沙规律进行了实验研究。 同时一些研究者也对工程施工引发土壤流失量进行了预测。刘敬军”等通过对朔 黄铁路平山至灵寿段流失状况的调查，认为铁路建设导致水土流失急剧增加，新增水 土流失餐为铁路建没前的1 9 5 8 倍，主要发生在山区，其中弃土弃渣造成的流失罱占 施1 j 期水土流失总量的比例高达7 8 ：李福林”研究了石灰岩山区工程建设对水土流 失的影响，并利用u s l e 对新增水土流失量进行了估算：刘功贤( 4 7 利用黑龙江省土壤 流火方程对工程建设项目引起的土壤流失进行了预测。 1 5 本论文研究的主要内容及意义 基于工程施工过程中发生的水土流失，特别是水力侵蚀，严重影响周边生态环境 和 程本体，必须对水力侵蚀区工程项目进行严格的管理。工程项目施工之前，必须 对一f 程施工过程中可能造成的土壤侵蚀程度进行预测，并以其为依据进行施工过程中 土壤侵蚀控制系统的设计。因此，对施工过程中的土壤侵蚀规律、预测方法的研究就 显得尤为重要。 出于对工程建设施工引起的水土流失的关注，不少学者进行了研究。但总的来说， 人们对工程项目施工引起的水土流失还缺乏系统的了解，难于提供一个确实可行的水 土流失预测方法，以满足水土保持和进行环境评价的要求。 本文在对施工引起的水力侵蚀进行分析的基础上，论述铁路施工过程中对原地形 地貌造成的扰动以及施工过程中产生水土流失的典型重塑地貌，这是进行工程项目水 土流失量预测的基础。 根据研究和调查结果，针对铁路施工引起的水土流失，选择典型地形地貌区进行 野外人工模拟降雨试验，以定量研究铁路水土流失的规律，涉及雨强、坡度、土质性 状等因素：通过实地调查和试验结果的分析，确定施工过程中引发水土流失，影响水 土流失量的关键因素。 论文的最后，在已有的水土流失量估算模型分析的基础上，提出适合工程建设项 目水土流失特点的、具有较高精度的水土流失预测模型。由于数据所限，预测模型只 9 北方交通大学硕士论文1 绋论 是给工程建设项目的水土流失量计算提供了一个思路，模型的完善还需要进一步的研 究 作。 论文的研究能够在一定程度上解决铁路水土流失量估算的问题，对维护铁路麓工 期周围的生态环境，编制铁路水土保持方案和环境影响评价报告书都有重要意义。 同时，对施工扰动的地形地貌产生的水力侵蚀进行了研究，填补了土壤侵蚀研究 学科的空白，具有重要理论价值。 1 0 ! ! 查銮望查兰堡主丝塞 ! 垫旦塑塞望垫望! 堕查查垦旦! 一 2 铁路工程的水土流失特征 我国铁路的建设进入了一个飞速发展的时期。铁路的建设促进了我国经济的大发 展，但同时也给周围的生态环境带来了一系列影响，如占用土地、扰动地表结构、破 坏地表植被、改变沿线的地形地貌及排放弃土、弃渣等。这些活动破坏了斜坡土体的 原生条件和周边的环境，遇到暴雨，常常发生严重的土壤侵蚀。由铁路建设触发的水 土流失成为铁路施工过程中对周围环境和工程自身产生重大影响的问题之- 研究由 ：r 程施工引起的水土流失的特点、规律，并进行防治己势在必行。这里首先探讨一下 铁路工程施工过程中几种比较典型的重塑地貌，然后说明铁路工程水土流失的特点。 2 1 工程建设对原地面的改造 工程施工破坏了地表的土壤结构和地表植被，形成各种重塑坡面。这里参考李文 银”对矿区人工边坡的分类，如图2 1 。 2 1 1 工程施工对下垫面的扰动 工程施工过程中对下垫面( 这里下垫面是指接受侵蚀的对象，包括扰动前的地形地 貌和人工重塑坡面j 涉及坡度、坡长、土体性质等因素) 的扰动是导致施工期水土流失 加剧的最主要原因。工程项目施工过程中对下垫面的扰动主要体现在两个方面：一、 工程的施工改变了原有的地形地貌；二、施工区的各种重塑坡面改变了原有坡面的性 质。 对地形地貌的改变主要是，按经济条件及技术要求，重塑坡面的坡度一般较原天 然地面要陡得多。例如，路堤边坡一般根据设计规范确定为1 ：1 5 1 ：1 7 5 ，坡度变 化于2 9 0 3 3 0 之间；排土场的表面坡度，据孙虎( 4 ”等对人为顺坡倾倒的黄土弃土的测 定，在3 2 。3 3 0 之间，接近沙质黄土的天然休止角：路堑边坡的坡度根据设计规范均 大于2 9 0 。即施工形成的重塑坡面的坡度一般比各地的天然径流场及标准径流小区的 坡度要大。关于坡度与侵蚀的关系，许多人研究认为，2 6 0 时面蚀达到临界值，大于这 个值时，土壤侵蚀以沟蚀为主。一般情况下，沟蚀量远远大于面蚀量。因此坡度增大 是导致水土流失加剧的一个重要原因。 施工过程中对原有坡面性质的改变是导致水土流失加剧的另一个重要原因，主要 包括以下几个方面。 2 1 1 1 破坏土体结构线路施工形成的路堤边坡和工程建设过程中的弃土场边 坡，土壤结构被完全破坏，土体松散，孔隙度大，渗透性好。根据调查，当降雨强度 ! ! 查奎望盔兰堡主笙苎 ! 壅里堡堕垄堡蕉堡生堕查塑堡! ! 一 小丁一定值时，降雨可以完全入渗，地面不产流。但当降雨强度增大到一定值时则发 生严重沟蚀，侵蚀量远远大于其他条件相同的坡耕地的侵蚀量。 一物质丁鼢 o 一均匀性 类依固结稳定状况 土质边坡，如取土场边坡 石质边坡，如取石场边坡 土石混合边坡，如弃渣场 均质边坡，如黄土边坡 非均质边坡，如弃土、弃渣场边坡 堆填边坡，如弃土场、弃渣场边坡、铁路路堤边坡 挖损边坡，如取土、取石、取沙、路堑等边坡 压实边坡，如施工便道、施工营地边坡 松散非固结不稳定边坡，如各种废弃物堆置体边坡 坚硬固结较稳定边坡，如取石陡壁、黄土陡壁 固结非稳定边坡，如不稳定采矿边坡 圈2 1 工程t 设重基地稳分类 2 1 1 2 夯实在公路及铁路的施工过程中，路基面在施工过程中必须夯实到一定 程度，以满足公路、铁路的设计标准；施工道路及各类生活、生产用地在机械碾压和 土石方搬运过程中受到了不同程度的夯实。这都使得土壤结构趋于密实，入渗能力大 幅度的减小，径流量增加，水流挟沙能力增强；同时因为颗粒排列紧密，除表层有一 些散碎的颗粒外，土壤抗蚀性、抗冲性有很大的提高，径流含沙量减小。 2 1 1 3 揭露地表。裸露风化层城市基础设施建设及公路、铁路路堑的开挖，直 接剥离了抗蚀性较强的原状表层土体，揭露了原岩及其风化物，降低了植被覆盖率， 导致侵蚀从天然状态下较为缓慢的自然侵蚀过程，在极短的时间内迅速转变为强烈的 1 2 工 程 建 设 重 塑 地 貌 分 ! ! 变奎望查堂堡：生堡兰 ：程性加速侵蚀。 2 我国铁路建设过程中的水力侵蚀 施工区各种重塑坡面发生水土流失与否及发生的规模差异很大。根据其性质的不 f 可以确定铁路j ：程水土流失的重点坡面。 2 1 2 铁路工程建设产生的重塑地貌 结合施【的具体实际，考虑到铁路施工过程中重塑地貌的特殊性，通常将铁路施 l 。过程中的重塑地貌分为：路堑边坡，路堤边坡，取土场，弃土场以及施工便道、施 工营地。这几种坡面，因施工过程中受到扰动